CERN 연구팀, 반물질 잡는 레이저 냉각 장치 개발해

우주의 성립 수수께끼 해명을 목적으로 연구가 진행되는 반물질은 이동 속도가 너무 빨라 정확하게 관측하기 어렵다고 여겨져 왔다. 하지만 새로운 유럽입자물리연구소 CERN 연구 그룹은 레이저 냉각을 이용해 반수소원자를 10배 이상 느리게 하고 포착하는데 성공했다고 발표했다. 이 장치에 의해 물질과 반물질 차이가 더 정확하게 알 수 있게 될 것으로 여겨지고 있다.

물리학 법칙에 따르면 전 세계는 입자와 짝을 이루는 반입자가 존재하는 것으로 알려져 있다. 반입자는 소립자와 질량, 스핀 같은 특성이 있지만 반입자가 탄생하는 순간 입자와 결부되어 소멸해 확인이 어렵다고 여겨지고 있다.

우주와 세계는 입자에 의해 구성된 물질이 이뤄져 있기 때문에 반입자에 의해 구성된 물질은 반물질이라고 한다. 물질과 반물질 차이를 아는 건 우주 탄생 과정을 참고할 것으로 오랫동안 주목받는 분야 중 하나다. CERN 연구팀은 이 같은 관점에서 반물질을 붙잡기 위한 특수 장비를 개발해왔다.

2021년 3월 31일(현지시간) 네이처에 발표한 논문에 따르면 반물질 원자를 절대 영도까지 식혀 반물질을 관측할 수 있는 장치를 개발했다고 한다.

반물질은 지구상에서 방사성 붕괴 같은 현상으로 발생한다. 반물질은 큰 에너지를 갖고 매우 빠른 속도로 움직이기 때문에 잡는 건 어렵다는 문제를 안고 있다. 기술적으론 반물질을 잡아 측정할 수 있지만 움직임이 빠르다는 특성 탓에 미세하게 차분히 관찰하려고 하면 오류가 따른다.

따라서 반물질을 감속시키는 장치 개발이 이뤄지게 된 것이다. 40년 전 광자를 사용해 원자 운동은 감속시키는 레이저 냉각 장치가 이미 개발됐지만 이번 장비에도 이 기술을 적용했다고 한다.

CERN 연구 그룹인 알파(ALPHA)는 반수소원자를 이용해 실험을 실시했다. 반수소원자는 보통 90m/sec로 동작하지만 적절한 파장 레이저를 조사해 원자 냉각된 감속을 보였다는 것. 이 조사를 반복해 궁극적으로 반원자를 10배 이상 느리게 하는데 성공했다고 한다.

연구팀은 이는 원자를 향해 공을 쏘고 있는 것과 같다면서 공이 아주 작기 때문에 충돌에 의한 감속도 줄어들지만 몇 번이나 반복해 마지막으로 큰 감속이 발생한다고 설명했다. 논문에 따르면 냉각된 느려진 반수소에 의해 지금까지보다 훨씬 더 정확한 측정이 가능해졌다. 이 장치는 개발 이정표가 되어 앞으로 물질과 반물질간 섬세한 차이가 드러날 수 있다는 설명이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.